⏕≀ᕤᏛㄅ➨ᕳ➨ྕ バイオインターフェイス（前編） インターフェイスから探る代謝機構のルーツ 跡見 晴幸 はじめに は sn-glycerol 3-phosphate 骨格に直鎖脂肪酸がエステ ル結合したものを利用している．アーキアは一般に 超好熱菌は一般に至適生育温度が 80°C 以上の生物と sn-glycerol 1-phosphate を骨格として，脂肪酸ではなく して定義されている．超好熱菌の大半はアーキアに属す イソプレノイドアルコールがエーテル結合したものを利 るが，一部バクテリアに属するものも知られている．超 用している．T. kodakarensis はアーキア型の膜脂質分子 好熱菌はアーキア・バクテリアいずれのドメインにおい を利用し，他のアーキアと同様に膜を貫通するテトラ ても系統学的な位置が根に近いところにあり，いわば， エーテル型脂質も検出されている．一方，T. maritima に アーキアとバクテリアのインターフェイスに位置する． おいては一般的なエステル型膜脂質が主であるが，エー 筆者らは超好熱性アーキア Thermococcus kodakarensis テル型脂質も利用されており，膜を貫通するテトラエー の代謝やその制御について研究を進め，その機構を大腸 テル型のものもある 1)．しかしながら T. maritima のエー 菌や酵母など，バクテリアや真核生物のモデル生物のも テル型脂質の疎水部はイソプレノイド型ではなくほぼ直 のと比較してきた．本稿では補酵素（coenzyme A）の 鎖型であり，また sn-glycerol 3-phosphate を骨格として 生合成機構を中心に T. kodakarensis の代謝機構を超好 いる．これらのことから，膜脂質骨格の立体構造やイソ 熱性バクテリア Thermotoga maritima のものと比較し， プレノイド鎖の利用はドメインにより異なることがわか それらの経路がどのような進化を遂げてきたのか考察し る．T. maritima と同じ Thermotogales 目に属し，至適生 てみたい． 育温度が 65°C 程度の Thermosipho 属，Fervidobacterium T. kodakarensis と T. maritima 属のバクテリアはエーテル型脂質・テトラエーテル型脂 質を有さない．したがってエーテル結合の利用はドメイ 上述の通り，T. kodakarensis（Tko）はドメインアー ンを越えた高温領域生命適応戦略の一つである可能性も キアに属し，T. maritima（Tma）はドメインバクテリア ある．より多くの超好熱性バクテリアにおける膜脂質の の一員である．双方ともに海洋性で，絶対従属性・絶対 構造に関する情報が待たれる． 嫌気性の超好熱性微生物である．至適生育温度は，前者 Coenzyme A 生合成 は 85°C，後者は 80°C 程度である．また両者とも環状の ゲノムを有し（Tko: 2,088,737 bp，Tma: 1,860,725 bp）， Coenzyme A（CoA）はさまざまな異化代謝・生合成 ゲノム上にはオペロンも存在する．遺伝情報の保存や伝 経路において重要な役割を果たす補酵素であり，すべて 達に関与する DNA 複製，転写，翻訳系はアーキアとバ の生物に利用されていると考えられている．CoA は末 クテリアとでは大きく異なっており，アーキアのものは 端チオール基を有し，これがさまざまなカルボニル化合 真核細胞のものと類似している場合が多い．たとえば T. 物と高エネルギーチオエステル結合を形成することによ maritima の転写装置はバクテリア型であり，シグマ因子 り，カルボニル基の反応性を上げている．また 2- オキ に依存した転写開始複合体を形成するが，T. kodakarensis ソ酸の酸化的脱炭酸反応において得られる酸とチオエス の RNA polymerase は真核生物のものと類似した構造を テル結合を形成することにより，エネルギーを保存する 示し，TATA-binding protein や transcription factor B を 重要な役割もある．解糖系と TCA 回路をつなぐ acetyl- 利用して転写開始複合体を形成する．これらの生命機能 CoA，TCA 回路の代謝中間体の succinyl-CoA，脂肪酸 に関しては，生育環境や生育温度域に関係なくドメイン 生合成の前駆体である malonyl-CoA などはよく知られ 間の違いが優先しているようである． ている． 細胞膜 外界とのバイオインターフェイスを形成する超好熱 菌の膜脂質構造は非常に興味深い．一般にバクテリア CoA は 図 1 に 示 す 構 造 を と っ て お り， そ の 骨 格 は pantothenate，ATP，cysteine に由来する．アーキアやバ クテリアにおける CoA の生合成は，valine 生合成経路の ketoisovalerate から出発し，8 段階の酵素反応によって 著者紹介 京都大学大学院工研究科合成・生物化学専攻（教授） E-mail: [email protected] 2016年 第11号 693 特 集 図 1．アーキアとバクテリアにおける CoA 生合成経路．Pantoate から 4'-phosphopantothenate までの経路はアーキアとバクテリアで 異なる．PPAT: phosphopantetheine adenylyltransferase，他は文中に記載． 達成される（図 1）．筆者らはいままでに T. kodakarensis 最終反応を触媒する dephospho-CoA kinase（DPCK）の ketopantoate reductase（KPR）がフィードバック阻害の 標的となっている 5)（図 1）． さらに，筆者らは最近 T. maritima における CoA 生合 みが未同定であるが，ketoisovalerate から dephospho-CoA 成の制御機構に興味をもち，その解析を進めた．ホモロ までの変換に関わる 7 種の酵素遺伝子が明らかとなって グ検索の結果，T. maritima はほぼ E. coli 型の CoA 生合 いる．それまでに明らかとなっていた Escherichia coli の 成経路を利用していると予想されたが，不思議なことに CoA 生合成経路と比較するといくつかの特徴的な違いが 見いだされた．まず，pantoate から 4'-phosphopantothenate ま で の 変 換 経 路 が 異 な る 点 で あ る．E. coli で は ま ず pantoate と ȕ-alanine の 縮 合 が 起 こ り（pantothenate synthetase: PS）， 続 く リ ン 酸 化 反 応（pantothenate kinase: PanK）により 4'-phosphopantothenate が得られ る．一方，T. kodakarensis においてはリン酸化が先に ，続いて ȕ-alanine との縮 起こり（pantoate kinase: PoK） 合反応（phosphopantothenate synthetase: PPS）により 4'-phosphopantothenate が得られる（図 1）．ホモログの 分布範囲より，バクテリアや真核生物の多くは E. coli CoA によるフィードバック阻害を受けないとされる Type III PanK のみを有していた．そのことから我々は T. maritima においては T. kodakarensis と同様な，KPR における CoA 生合成機構のほぼ全容を解明してきた 2–6) ． 反応を標的としたフィードバック機構があるのではない かと考えた．その予想は見事に外れたが，T. maritima の KPR，PS，PanK に対して詳細な生化学的解析を進 めた結果，Type III であるにもかかわらず，PanK が CoA によるフィードバック阻害の標的となっていることがわ かった 7)． T. kodakarensis および T. maritima の CoA 生合成 経路を構成する酵素を比較すると非常に興味深い事 に見られる経路を利用していることが示唆される． 一方， 実が浮かび上がってきた．つまり 8 種の反応を触媒す Thermoplasmatales に属するものを除けば，アーキアは T. kodakarensis に見られる経路を利用していると考えられ る．もう一つの特徴的な違いは CoA 生合成の制御機構 にある．E. coli 型の生合成経路を利用している生物（バ クテリア・真核生物）は CoA による PanK へのフィード バック阻害により過剰な CoA 生合成を防いでいる．一 方 PanK を利用しないアーキアにおいては，より上流の る酵素のうち，初発段階を触媒する酵素 ketopantoate 694 hydroxymethyltransferase（KPHMT），4'-phosphopantothenate と cysteine の縮合反応を触媒する phosphopantothenoylcysteine synthetase（PPCS），続く脱炭酸反応を 触媒する phosphopantothenoylcysteine decarboxylase （PPCDC）以外は T. kodakarensis と T. maritima で機 能する酵素が互いにホモログ関係にないことである． 生物工学 第94巻 バイオインターフェイス（前編） 図 2．Phosphopantothenoylcysteine synthetase（PPCS）と phosphopantothenoylcysteine decarboxylase（PPCDC）が触媒する反応． 下段に 4'-phosphopantothenate を acetate に置き換えた場合の反応を示す． 比 較 す る 微 生 物 の 範 囲 を 少 し 広 げ る と（ ア ー キ ア なる．現存する CoA 分子と比べて酵素に特異的に認識 Methanocaldococcus jannaschii，バクテリア Aquifex aeolicus の CoA 生合成酵素を加えると），同一 protein family のタンパク質が利用されている反応は PPCS， PPCDC のみとなる．これら二つの酵素タンパク質はバ されるための“飾り”は少ないが，CoA が担う代謝上の 機能を十分に果たすことができる．証明は難しいが， N-acetylcysteamine あるいはそれと類似した化合物が祖 是非検証してみたい． 先的な CoA 分子であったかどうか， クテリア・アーキアのルーツから真核生物まで生物界に おわりに 広く分布している．したがってアーキアにおける PoK/ PPS 経路やバクテリアにおける PS/PanK 経路のように， PPCS，PPCDC 以外の酵素はバクテリア・アーキア・ おいて系統学的に根に近い 2 種の微生物 T. kodakarensis 真核生物が分岐した後に誕生した可能性があり，原始生 および T. maritima について代謝機構を比較し，共通点 命体における祖先的な経路は PPCS と PPCDC のみから や相違点に基づいた進化的考察を行った．CoA 生合成 構成されていたことも考えられる． 経路についてはその原型となった経路や祖先的な CoA 本稿ではアーキア，バクテリアそれぞれのドメインに PPCS と PPCDC が CoA 生合成経路の原型である可能 分子を推測することができた．今後も各ドメインにおけ 性が浮上してきたが，そもそも生合成経路の途中段階が る代謝機構を比較し，反応のみならず，それらを触媒す 最初に誕生する選択圧や意味はあるのかという疑問が生 る酵素のホモログ関係にも注目しながらさまざまな代謝 じる．しかしながら PPCS，PPCDC が触媒する反応をよ 機構の進化について検討していきたい．加速度的に蓄積 くみると二つの反応がもつ本質的な意味が浮かび上がっ される莫大なゲノム情報が大いに活かされるものと期待 てくる．PPCS は図 2 に示すように 4'-phosphopantothenate している．特に最近 Hug ら 8) が発表した Candidate Phyla のカルボキシ基と cysteine のアミノ基との間の縮合反 Radiation という一大生物群について，代謝機能を検討 応を触媒する．一方で PPCDC は PPCS 反応で生じた すれば祖先的な経路の姿がより鮮明に見えてくる可能性 phosphopantothenoylcysteine の脱炭酸反応を触媒する． もある． ここで得られる 4'-phosphopantetheine の構造を見ると， CoA の機能を果たすための基本的な構造的要素をすで に満足している．つまり末端チオール基をもち，カル ボキシ基の接近を許容するために自身のカルボキシ基 が除かれた構造をもつ．Cysteine と縮合するカルボキ シ基供与体について，4'-phosphopantetheine の生合成 経路が誕生していない状況では，酢酸など比較的単純 なカルボン酸が利用されていた可能性がある．その場 合 に PPCDC，PPCS 反 応 に よ っ て 得 ら れ る 化 合 物 は N-acetyl-2-aminoethanethiol（N-acetylcysteamine）と 2016年 第11号 文 献 1) Sinninghe Damsté, J. S. et al.: Arch. Microbiol., 188, 629 (2007). 2) Yokooji, Y. et al.: J. Biol. Chem., 284, 28137 (2009). 3) Tomita, H. et al.: J. Bacteriol., 194, 5434 (2012). 4) Ishibashi, T. et al.: Extremophiles, 16, 819 (2012). 5) Tomita, H. et al.: Mol. Microbiol., 90, 307 (2013). 6) Tomita, H. et al.: J. Bacteriol., 196, 1222 (2014). 7) Shimosaka, T. et al.: J. Bacteriol., 198, 1993 (2016). 8) Hug, L. A. et al.: Nat. Microbiol., 16048, DOI: 10.1038/ NMICROBIOL.2016.48 (2016). 695
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